BR102017022295A2 - Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a conversor para aproveitamento da energia hidrocinética aplicado em hidrogeradores para rios com escoamento de baixa velocidade, a ser integrado em rotores de turbina hidrocinética para converter a energia cinética do fluxo de um rio de baixa velocidade em energia mecânica para rotação do eixo da dita turbina. o conversor possui grande envergadura, que resulta em alta velocidade linear na extremidade, e elevado torque no eixo da turbina. o conversor também é formado por cordas alongadas na ponta, resultando uma geometria não convencional para reduzir fenômenos hidrodinâmicos indesejáveis, como cavitação e estol. a torção angular ao longo de sua envergadura também possui uma distribuição não convencional, aproveitando o máximo do coeficiente de potência, possibilitando um aumento do torque para partida da turbina em baixa velocidade de fluxo. adicionalmente, o aparato apresenta ondulações na superfície da borda de ataque para deslocar o ponto de descolamento da camada limite, retardando a ocorrência do estol na superfície do conversor.

Description

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Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento [001] O pedido de patente proposto refere-se ao conversor para aproveitamento da energia hidrocinética aplicado em hidrogeradores para rios com escoamento de baixa velocidade.

[002] Esse conversor deve integrar rotores de turbina hidrocinética capazes de converter a energia cinética do fluxo de um rio com velocidades entre 0,8 e 3,0 m/s em energia mecânica para rotação de um eixo. O conversor possui grande envergadura, que resulta em alta velocidade linear na extremidade, e também, é constituído por cordas alongadas na ponta, resultando em um perfil não convencional para reduzir fenômenos indesejáveis dentro do escoamento, e possui torção angular ao longo de sua envergadura para aproveitamento máximo do coeficiente de potência.

[003] Um perfil hidrodinâmico quando submetido a um fluxo com alta velocidade linear, como é o caso da ponta do conversor, fica sujeito ao fenômeno indesejável denominado cavitação, que prejudica a eficiência e reduz a vida-útil do conversor.

[004] A alteração da dimensão das cordas ao longo do conversor previne o fenômeno da cavitação, presente em pás hidráulicas que operam em alta velocidade, criando uma região no fluxo hidráulico com alto gradiente de pressão. Adicionalmente, o aparato apresenta ondulações na superfície da borda de ataque para deslocar o ponto de descolamento da camada limite, o que reduzindo o impacto do fenômeno conhecido como estol na superfície do conversor.

[005] O conversor, objeto da invenção na presente patente, é um aerofólio responsável pela conversão da energia hidrocinética em energia mecânica representada pela rotação do eixo acoplado ao rotor.

[006] O conversor deve estar instalado na estrutura da turbina hidrocinética, com ou sem difusor, para conversão de energia em rios de baixa

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2/7 velocidade. A grande envergadura do conversor propicia um elevado torque no eixo da turbina. O referido conversor opera em uma faixa de velocidade de fluxo de 0,8 a 3 m/s, para uma turbina de potência nominal de até 500 kW.

[007] O projeto hidrodinâmico do conversor é elaborado de forma a reduzir zonas de cavitação em todas as faixas de operação da máquina. A alta velocidade na ponta do conversor produz regiões de baixa pressão estática, e devido a essas circunstâncias, o conversor possui uma geometria otimizada, para a redução do gradiente de pressão do escoamento que passa pelo rotor, prevenindo a ocorrência de cavitação no escoamento.

[008] A utilização de geometria com torção angular é outra característica do invento proposto para otimizar o coeficiente de potência da turbina. O conversor apresenta torção máxima de 18° próxima a sua base com variação linear do ângulo na direção radial não apresentando torção no seu pico.

[009] O invento está inserido no contexto de conversão de potência e geração de energia com máquina de grande porte para aproveitamento do potencial hidrocinético de rios de baixa velocidade permitindo a geração descentralizada de energia elétrica.

ESTADO DA TÉCNICA [010] A turbina hidrocinética descrita no pedido de patente US 20090257863 possui dupla ação, sendo capaz de controlar e converter a energia cinética proveniente das marés, das fases de inundação e refluxo, em energia elétrica. As pás que compõem a turbina possuem formato trapezoidal e são dispostas em ângulo determinado de aproximadamente 45° em relação ao eixo central do rotor. O formato das pás e a angulação influenciam na força gerada no ciclo de funcionamento e possibilitam que o aparato gere energia com a passagem de água nos dois sentidos do fluxo, seja acionado por correntes de baixa velocidade e reduza a ocorrência de turbulência se a velocidade da corrente for excessivamente alta.

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3/7 [011] O aparato descrito não atende a aplicação do presente pedido de patente devido a seu design não prever mecanismo para evitar a cavitação, que deve ocorrer nas pontas das pás devido à alta velocidade tangencial gerada em tais seções. Adicionalmente, a angulação das pás em relação ao eixo de rotação não permite o máximo aproveitamento de correntes de rios para movimentação do sistema, sendo usada preferencialmente em aplicações onde há a mudança constante na direção do escoamento.

[012] A patente US7728454 descreve uma turbina helicoidal e componente hidrocinético para uso com geradores e produção de energia. A turbina é composta de pás dispostas em formato helicoidal em torno de eixo central, o qual pode apresentar a extremidade afinada e um flange que se estende perpendicularmente até a extremidade das turbinas. O flange possibilita maior aproveitamento da energia do escoamento em comparação a uma pá simples. O gerador elétrico alimentado pela turbina helicoidal é usado em correntes de marés. A turbina pode operar uma bomba de alta pressão conectada a um acumulador hidráulico para armazenamento de fluido hidráulico pressurizado vindo da bomba, o gerador pode ser operado pelo fluido vindo do acumulador em momentos em que a corrente do fluido esteja em baixa velocidade. O conjunto apresenta conexão de suporte para manter a orientação da turbina paralela ao fluido.

[013] Pelo formato helicoidal da turbina, a energia necessária para movimentação do sistema é elevada em comparação com o do presente pedido de patente e dessa forma é inviável manter tal turbina em funcionamento com baixas correntes de escoamento durante um tempo prolongado mesmo com a presença do acumulador hidráulico.

[014] O pedido de patente 0805515-7 trata de turbina hidrocinética do tipo bulbo que pode ser acionada por correntes fluviais ou marítimas mesmo com escoamentos de baixas velocidades e/ou baixas vazões. O aparato proposto possibilita a geração de energia em porções de líquidos de baixa profundidade, apresentando bom desempenho na relação tamanho/geração e

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4/7 permitindo sua instalação de forma facilitada mesmo em ambientes de difícil acesso.

[015] A supracitada invenção não se aplica ao dispositivo previsto nesse pedido devido à sua destinação para aplicações menores que a proposta de 500 kW não havendo a adoção de medidas para evitar a cavitação decorrente da queda de pressão no escoamento.

SUMÁRIO [016] O conversor descrito na invenção é uma pá de geometria adaptada para geração energética com alto aproveitamento da potência hidrocinética para rios com baixa velocidade. O perfil do conversor é mais alongado em relação ao observado no estado da técnica como forma de regular a evolução do gradiente de pressão da corda da pá. Dessa forma, se reduz a probabilidade do fenômeno estol, descolamento da camada limite da superfície do conversor. O formato do conversor é gerado com a definição de condições de projeto para sua corda que minimizem a cavitação. O conversor apresenta cordas mais longas e pontas com perfis maiores que os observados em pás convencionais.

[017] Esta particularidade, da geometria do conversor, permite operar em maiores faixas, viabilizando o funcionamento do sistema em valores nominais altos para a rotação. Reduz-se assim a necessidade de uma alta relação de transmissão na caixa multiplicadora, possibilitando também a partida da máquina em menores velocidades do fluxo do rio.

[018] A tabela 1 apresenta a geometria adimensional da geometria do conversor, evidenciando a distribuição do tamanho da corda e da rotação do perfil ao longo da envergadura.

Tabela 1. Geometria da corda e do ângulo de rotação do conversor ao longo da envergadura

% Envergadura

Proporção da corda em relação a envergadura

Ângulo de rotação (graus)

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0,1500000000000000	0,0723226625181182	0,5062305190615770
0,1947368421052630	0,1607147372478710	0,4192773187700130
0,2394736842105260	0,1727701424460680	0,3525929615685730
0,2842105263157900	0,1629427284419800	0,3007864893220860
0,3289473684210520	0,1488688644757690	0,2598352889744010
0,3736842105263160	0,1356741594281330	0,2268812978550680
0,4184210526315780	0,1241514975335830	0,1999126676118090
0,4631578947368420	0,1141948666992630	0,1775028246031030
0,5078947368421060	0,1055566420192020	0,1586258018030960
0,5526315789473680	0,0980100629313982	0,1425314371474820
0,5973684210526320	0,0913563513672428	0,1286618885577440
0,6421052631578940	0,0854169834523326	0,1165955111253770
0,6868421052631580	0,0800195683506346	0,1060086863179910
0,7315789473684220	0,0749764648683210	0,0966494819927440
0,7763157894736840	0,0700512609284582	0,0883191938018820
0,8210526315789480	0,0649026513580308	0,0808592089679140
0,8657894736842100	0,0589826831206636	0,0741415174405670
0,9105263157894740	0,0604419791947728	0,0679134553222310
0,9552631578947360	0,0528373182367762	0,0622991860964750
1,0000000000000000	0,0238266032076282	0,0571813409609490

[019] A geometria da presente invenção também se difere em relação às presentes no Estado da Técnica por possuir ondulações na borda de ataque do conversor. Essa configuração estabiliza a camada limite, desloca a zona de descolamento em relação à superfície da pá, retardando a ocorrência do descolamento, conhecido por estol, e gerando maior potência mecânica.

[020] A invenção apresenta velocidades tangenciais elevadas em suas pontas, gerando zonas de baixa pressão que, se forem inferiores à pressão de vapor da água, geram cavitação. A modificação implantada resulta em campo de pressão no qual não são geradas depressões que atinjam a pressão de

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6Π vapor da água em regime de operação normal. Isto evita o processo de cavitação e aumenta a eficiência hidrocinética do conversor.

[021] A utilização de difusores em máquinas hidrocinéticas de grande porte, 100 a 500 kW, com velocidades de corrente na ordem de 0,8 a 3 m/s permite uma aceleração da velocidade axial no plano de entrada do rotor. Este dispositivo potencializa a operação das turbinas hidrocinéticas de grande porte em baixa velocidade de corrente.

[022] A velocidade mínima de escoamento do rio necessária para a partida sem a presença de um difusor é de 1 m/s, enquanto que o uso de difusor acoplado acarreta na redução dessa velocidade mínima de escoamento para 0,8 m/s. O uso do difusor possibilita uma potência máxima, verificada na velocidade de escoamento de 3 m/s, muito mais alta que a observada na ausência de tal componente.

[023] Devido à baixa velocidade de rotação durante a partida, o torque resistivo devido ao atrito desempenha importante papel na operação de conjuntos hidrocinéticos. Para vencer esta força dissipativa, o emprego da geometria do conversor com torção angular influencia diretamente essa característica ao fornecer maior coeficiente de potência ao sistema. Em conjunto com a utilização do difusor, essa configuração possibilita o aumento do intervalo admissível para operação da máquina.

[024] A estrutura em questão apresenta, devido a seu perfil, centro de massa mais próximo ao centro geométrico da máquina. Essa característica estabiliza o conversor facilitando a retirada de condições de inércia, aumenta a resistência e exige menos força motriz para o início da operação.

[025] O perfil “I”, presente na estrutura interna das pás, possui elevada resistência mecânica, em comparação com outras configurações estudadas e sua relação rigidez-massa também é superior. Esse perfil apresenta baixa deflexão máxima, não apresenta regiões críticas e não sofre falha por fadiga. O perfil acompanha a torção angular existente ao longo da pá.

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BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [026] A figura 1 apresenta o conversor representado em vista isométrica (1), vista frontal (2) e a comparação com o perfil existente no estado da técnica (3).

[027] A figura 2 evidencia a estrutura do conversor com a representação da alma que apresenta sua composição interna em viga de perfil I (4).

[028] A figura 3 apresenta vista superior do conversor.

[029] A figura 4 mostra vista em corte do difusor, distinguindo suas diferentes seções transversais, iniciando na base (6) e concluindo na ponta (7).

[030] A figura 5 contém a representação frontal de todas as seções identificadas na figura 4, iniciando na base (6) e concluindo na ponta (7).

DESCRIÇÃO DETALHADA [031] O conversor é apresentado em vista isométrica na figura 1 onde é exibida sua estrutura interna, evidenciando-se a alma composta por uma viga em I' para suportar os esforços hidrodinâmicos que atuam sobre a estrutura, na vista frontal do perfil compara-se o seu aspecto com o de conversor convencional e é mostrado que o conversor desenvolvido no presente pedido de patente apresenta cordas mais longas em regiões próximas às pontas dos conversores.

[032] Nas figuras 2 e 3 é mostrada a localização do centro de massa (4) do conversor desenvolvido, evidenciando-se o formato do perfil que possui um prolongamento para acoplamento ao rotor. A configuração adotada para as cordas do perfil permite a partida em baixa velocidade devido ao posicionamento do centro de massa em relação ao rotor.

[033] Nas figuras 4 e 5 são apresentadas as seções transversais do conversor em diferentes pontos da base (6) até sua ponta (7). Na seção A-A a seção transversal cheia de modo que o centro de massa do dispositivo se localiza próximo ao hub ao qual é conectado e não há flexão na raiz do conversor. Nas outras seções evidencia-se a torção angular presente no conversor e a alma em viga I.

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES

   1) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, caracterizado por realizar a conversão de energia cinética de um fluxo de corrente de rios de baixa velocidade em energia rotacional aplicada em turbina hidrocinética;
2. 2) Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir cordas e perfis alongados na ponta;
3. 3) Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por estabilizar o campo de pressão local na ponta do conversor;
4. 4) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por operar eficientemente em baixas velocidades de escoamento entre 0,8 e 3,0 m/s, preferencialmente a 1,0m/s;
5. 5) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por estar imune a fenômenos de cavitação em grande faixa de velocidades em regime de operação;
6. 6) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar ondulações em sua borda de ataque;
7. 7) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por deslocar a região de descolamento da camada limite, retardando a ocorrência do estol;

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8. 8) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar geometria com torção angular ao longo de seu comprimento.
9. 9) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com as reivindicações 1 e 7, caracterizado por apresentar geometria com torção angular ao longo de seu comprimento de modo a otimizar o coeficiente de potência apresentado.
10. 10) “Conversor hidrocinético aplicado em hidrogeradores para rios de baixa velocidade de escoamento”, de acordo com as reivindicações 1 e 7, caracterizado por apresentar geometria com torção angular ao longo de seu comprimento de modo a possibilitar partida da turbina em baixas velocidades de escoamento.